[뉴프런티어] 400~600도에도 작동하는 고체산화물 연료전지 개발

한양대학교 신재생에너지시스템연구실

신재생에너지는 온실가스 감축이란 과제 해결과 화석연료를 대체할 수 있는 대표적 에너지원이다. 해당 원천기술 확보를 위한 각국의 경쟁이 치열하다. 그중 연료전지는 다른 신재생에너지에 비해 효율이 매우 높고, 공해가 없다. 특히 고체산화물 연료전지는 효율이 가장 우수한 것으로 평가받지만 주로 고온 환경(섭씨 800~1000도)에서 작동된다는 한계점을 안고 있다.

이에 한양대 신재생에너지시스템연구실(책임교수 김영범)은 저온 환경(400~600도)에서도 구동이 가능한 고체산화물 연료전지 개발에 착수했다. 성능 개선을 위한 구조체 개발, 양산형 공정을 위한 프로세스 개발 등이 목표다. 연구실은 저온형 고체산화물 연료전지를 자유지지방식으로 제작, 450도의 저온 영역에서 약 1.3mW/㎡라는 성능을 구현해냈다. 이는 현재까지의 자유지지 연료전지 중 가장 높은 성능을 자랑한다.

저온에서 구동이 가능하다는 것은 연료전지 시스템의 소형화 및 열적 내구성 향상을 기대할 수 있다는 뜻이다. 또 현재 개발 중인 양산형 공정 프로세스인 화학용해증착법과 저온 극단파 소결법을 이용, 저온형 고체산화물 연료전지 제작 시간을 혁신적으로 단축시킬 것으로 기대된다.

연구실은 역전기습윤법(reversed electrowetting)을 이용, 다양한 방식으로 가해지는 모든 진동 현상을 에너지로 수확할 수 있는 에너지 하베스팅 기술 소자 개발에도 처음으로 나섰다. 기존 연구의 주류를 이루던 압전 소자를 이용한 발전법은 상대적으로 큰 기계적 힘이 필요하다는 점에 주목했다. 역전기습윤 에너지 하베스팅 기술은 큰 진동 환경뿐 아니라 미세 진동 환경에서도 에너지 변환이 가능한 만큼 에너지 변환 효율을 극대화할 수 있다.

김영범 책임교수

연구실은 현재까지 원자막 증착법이라는 최신 박막 증착 기술을 도입, 작은 진동에서 매우 높은 발전 밀도를 얻어냈고, 24V 전압 환경과 2㎐ 진동 환경에서 약 11mW/㎠의 순간 전력 밀도를 끌어냈다. 이 또한 기존 에너지 하베스팅 기술에 비해 수배 이상의 성능이라는 평가다.

김영범 교수는 “보다 더 많은 분야에 적용하려면 에너지 변환효율과 내구성을 높여야 하는 점 등 선제적으로 해결돼야 할 부분이 많다”고 전했다.

김 교수는 “기존 연구 접근 방식 간의 공백을 메우고 벽을 허무는 새로운 접근법에 앞으로도 매진할 것”이라며 “이론적 규명뿐 아니라 다양한 분야로의 융합연구를 통해 향후 신재생에너지 연구에서 큰 전기를 마련할 계획”이라고 덧붙였다.